蔣曙
摘要:了解攝影的人都知道景深這個(gè)詞,淺景深常被用來(lái)表示一種主體清晰,背景模糊的拍攝效果。要形成這種效果,需要相機(jī)使用大光圈、長(zhǎng)焦距鏡頭和靠近拍攝物體拍攝。但是,我們經(jīng)常是使用手機(jī)拍攝,手機(jī)的鏡頭焦距較短,要形成這種效果非常困難。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些雙鏡頭手機(jī),能拍攝出這種淺景深效果,本文將分析一下這種雙鏡頭淺景深效果實(shí)現(xiàn)的原理并給出一種模擬算法。
關(guān)鍵詞:景深效果;雙鏡頭;模糊效果;真實(shí)場(chǎng)景
中圖分類號(hào):TP37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2016)33-0182-02
1 景深
現(xiàn)實(shí)世界中,人眼視覺系統(tǒng)和相機(jī)成像系統(tǒng)都可以用薄透鏡成像模型來(lái)表示,如圖1所示。一般來(lái)說(shuō)只有聚焦處的被攝體才能在焦點(diǎn)平面上成像清晰,隨著物體距離聚焦位置的變大在聚焦平面上成像的模糊程度超越某一個(gè)范圍,我們就認(rèn)為這個(gè)成像不清晰。這個(gè)臨界模糊的圓形稱為彌散圓。
2 雙鏡頭手機(jī)景深效果實(shí)現(xiàn)分析
由上面景深公式(1)可知,要想手機(jī)拍出淺景深的效果,就必須用大光圈、長(zhǎng)焦距、靠近拍攝物體才行。但對(duì)于手機(jī)而言,焦距較短,除非非常接近拍攝物體,否則很難形成景深效果,這也是我們普通手機(jī)拍攝時(shí),很難出現(xiàn)景深效果的原因。
由上述分析可推測(cè),雙鏡頭手機(jī)的景深效果不是由鏡頭真實(shí)產(chǎn)生的景深效果,而是手機(jī)對(duì)于采集到圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理,模擬產(chǎn)生景深效果。這個(gè)過(guò)程就像我們用PhotoShop等圖像處理軟件對(duì)照片進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,人工加上景深模糊效果。不過(guò)PhotoShop等圖像軟件需要我們手動(dòng)設(shè)定清晰范圍和模糊范圍,而且這種景深效果缺乏層次性和真實(shí)性,比較生硬。雙鏡頭手機(jī)實(shí)時(shí)拍攝時(shí),用戶對(duì)焦的物體成像清晰,其他位置會(huì)自動(dòng)添加景深效果,無(wú)需用戶干預(yù)。
這種技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)的呢?我們要先說(shuō)一下計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域中關(guān)于景深渲染的算法。在景深模擬算法中,后處理濾波處理的代表是Michael Potmesil[1],他是最早描述DOF算法的學(xué)者。應(yīng)用針孔相機(jī)模型成像后,根據(jù)所保存的每個(gè)像素點(diǎn)的z通道信息值,結(jié)合透鏡焦距、光圈參得到一個(gè)模糊因子,最后每個(gè)像素的最終值由覆蓋它的所有模糊圈的加權(quán)平均值確定。周強(qiáng)[2]等人采用了均值濾波得到模糊圖像,采用模糊圖像和清晰圖像融合方式,實(shí)時(shí)地模擬了景深效果。
在虛擬仿真系統(tǒng)中,最終渲染出來(lái)的每一幅圖像的像素中都包含像素的深度,因此我們可以針對(duì)每一個(gè)像素的深度,結(jié)合模擬鏡頭的焦距、光圈、拍攝距離和彌散圓直徑等參數(shù),實(shí)時(shí)渲染出比較真實(shí)景深效果。因此,我們可以將該算法用于手機(jī)拍攝的圖像的景深效果模擬。
但是,從手機(jī)鏡頭感光元件上采集到的圖像像素中不包含對(duì)應(yīng)物體的深度值,無(wú)法直接使用景深渲染算法來(lái)模擬景深效果。而事實(shí)上,雙鏡頭手機(jī)的景深效果是基于景物實(shí)際距離來(lái)渲染的。根據(jù)筆者的研究,雙鏡頭手機(jī)景深效果工作原理如下:
1)雙鏡頭手機(jī)的手機(jī)主鏡頭和普通單鏡頭手機(jī)的鏡頭一樣正常工作,由用戶控制拍攝。
2)當(dāng)用戶使用手機(jī)完成對(duì)焦后,拍攝的各項(xiàng)參數(shù)都已確定,而雙鏡頭手機(jī)的副鏡頭開始工作,為了能準(zhǔn)確分析圖像上各像素的深度信息同時(shí)又要保持成像內(nèi)容和對(duì)焦距離不變,副鏡頭能改變的是光圈和快門。副鏡頭采集不同光圈值下的圖像,交由算法來(lái)處理分析這些圖像,獲取各像素深度信息,光圈變化時(shí),自動(dòng)調(diào)整快門,以保持曝光平衡。
3)系統(tǒng)根據(jù)各像素的深度信息,使用景深渲染的算法重新合成具有景深效果的圖像。
如何判斷手機(jī)鏡頭感光元件上的圖像像素所對(duì)應(yīng)的物體與鏡頭的距離是問題的關(guān)鍵。下面將介紹整個(gè)算法的實(shí)現(xiàn)。
3 雙鏡頭手機(jī)景深效果模擬算法
我們將用幾個(gè)步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)景深模擬算法。
3.1 模糊強(qiáng)度的確定
前面提到需要采集不同光圈值得圖像分析像素的深度,但是這個(gè)真實(shí)深度是無(wú)法計(jì)算的,實(shí)際上是通過(guò)其他的方式計(jì)算出該像素模糊的強(qiáng)度。其具體實(shí)現(xiàn)方式是利用自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)中用來(lái)評(píng)價(jià)圖像清晰度函數(shù),分析不同光圈下圖像各像素的模糊強(qiáng)度。從理論上說(shuō),同一張圖像,清晰圖像的平均灰度值高于模糊圖像的平均灰度值,也就是說(shuō)當(dāng)圖像的清晰度改變時(shí),每一個(gè)受影響的像素的灰度值會(huì)發(fā)生改變。對(duì)于同一圖像內(nèi)容,大光圈的圖像與小光圈的圖像在同一個(gè)像素點(diǎn)的灰度值會(huì)發(fā)生改變,而且遠(yuǎn)離對(duì)焦物平面的像素灰度改變幅度要比靠近對(duì)焦面的像素的灰度值改變幅度要大得多。
3.2 圖像模糊預(yù)處理
處于聚焦平面外的物體上的點(diǎn)經(jīng)過(guò)透鏡折射后,在成像面上形成一個(gè)模糊圈,在屏幕上則表現(xiàn)為多個(gè)像素組成的圓形區(qū)域。它是像素與周圍多個(gè)像素相互作用的結(jié)果。在針孔照相機(jī)模型中,可以采用平滑濾波處理得到。在圖像處理中, 常用的平滑算子有高斯濾波、均值濾波等。為了取得更好的效果,這里采用可分離二維高斯濾波。
3.3 混合計(jì)算圖像
4 結(jié)束語(yǔ)
由于本文主要是為了探討分析雙鏡頭手機(jī)景深效果實(shí)現(xiàn)的基本原理與過(guò)程,因此如模糊效果的改進(jìn)、硬件算法的改進(jìn)等一些具體細(xì)節(jié)問題有待進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。
參考文獻(xiàn):
[1] Michael Potmesil,Indranil Chakra arty. A lens and aperture camera model for synthetic image generation[C]∥In: Computer Graphics Proceedings,Annual
[2] 周強(qiáng),彭俊毅, 戴樹嶺. 基于可編程圖形處理器的實(shí)時(shí)景深模擬[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(8):2219-2221.
[3] 黃偉瓊,游林儒,劉少君. 基于改進(jìn)的灰度對(duì)比度函數(shù)的自動(dòng)對(duì)焦方法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2011(11):3009.